Автоматизированное управление технологическими системами и процессами


A. H. Шельпяков





            АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ И ПРОЦЕССАМИ


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.5
ББК 32.966
     Ш45

Рецензенты:
доктор технических наук, заведующий лабораторией № 2 Института проблем управления РАН (г. Москва) А. М. Касимов;
доктор технических наук, профессор кафедры ракетостроения Воткинского филиала Ижевского Государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Б. А. Сентяков



     Шельпяков, А. Н.

Ш45 Автоматизированное управление технологическими системами и процессами : учебное пособие / А. Н. Шельпяков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 160 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1094-6

     Рассмотрены теоретические и практические аспекты управления объектами машиностроительного производства. Представлена концептуальная схема управления, виды объектов управления с точки зрения внешних воздействий, сигналы и способы управления различными объектами. Для представленных видов объектов рассмотрены дискретные и непрерывные системы управления, отдельно описаны микропроцессорные системы управления. Описаны системы управления на базе программируемых логических контроллеров. Дана классификация и подробно описаны элементы для создания различных систем управления: датчики, входные преобразователи, управляющие системы и устройства, выходные преобразователи, приводы и исполнительные механизмы.
     Для студентов направления подготовки 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 681.5
ББК 32.966








ISBN 978-5-9729-1094-6

     © Шельпяков А. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ..................................................5
ВВЕДЕНИЕ.....................................................7
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ......................8

Глава 2. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ.................................12
2.1. Объекты, процессы управления...........................12
2.2. Сигналы управления.....................................17
2.3. Способы управления объектами...........................19
2.4. Классификация систем автоматического управления........22

Глава 3. УПРАВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ...................27
3.1. Элементы алгебры логики, логические функции............27
3.2. Синтез однотактных комбинационных схем.................33
3.3. Программируемые логические контроллеры (ПЛК)...........36
3.4. Синтез многотактных последовательных систем управления с применением ПЛК...........................................45

Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМИ (АНАЛОГОВЫМИ) ОБЪЕКТАМИ, ПРОЦЕССАМИ.......................................61
4.1. Назначение и принципы работы систем автоматического регулирования (САР).........................................61
4.2. Динамика САР, законы регулирования.....................63
4.3. Регуляторы и системы автоматического регулирования.....67

Глава 5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ...............71
5.1. Режимы использования микропроцессоров в АСУ ТП.........71
5.2. Организация микропроцессорных систем управления........74
5.3. Устройства, элементы микропроцессорных систем управления..76
5.4. Системы числового программного управления станками (СЧПУ).82
5.5. Системы управления промышленными роботами..............86

Глава 6. ЭЛЕМЕНТЫ АСУ ТП....................................89
6.1. Классификация элементов АСУ ТП.........................89
6.2. Датчики................................................90
6.3. Входные преобразователи................................96
6.4. Управляющие системы и устройства.......................98
6.5. Выходные преобразователи..............................105
6.6. Приводы исполнительных механизмов.....................106
6.7. Исполнительные механизмы..............................110

Глава 7. РАЗРАБОТКА АСУ ТП.................................112


3

Глава 8. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ............................................127
8.1. Измерители и регуляторы (как автономные системы).......127
8.2. Автоматизированная система управления сушкой древесины.130
8.3. Автоматизированная система управления газовой горелкой.131
8.4. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля технологических параметров процесса сушки кирпича...........135
8.5. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля технологических параметров и управления процессом обжига кирпича.144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................155


4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     Целью дисциплины «Управление системами и процессами» является приобретение комплекса знаний и навыков для решения задач управления техническими системами и разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами.
     Задачи дисциплины. Изучение принципов управления различными технологическими системами и процессами, различных видов систем управления и методик их проектирования. При этом в данной дисциплине предусмотрено:
     -      изучение видов объектов управления, сигналов систем управления, способов управляющего воздействия, классификации систем управления,
     -      изучение работы и основ проектирования дискретных систем управления,
     -      изучение работы и основ проектирования микропроцессорных систем управления, систем числового программного управления (ЧПУ),
     -      изучение работы и основ проектирования непрерывных систем управления, систем автоматического регулирования (САР) технологических параметров.
     В результате изучения дисциплины студент должен: знать:
     -      задачи управления и виды объектов управления, виды сигналов, способы управления различными видами объектов,
     -      принципы организации и методики проектирования дискретных систем управления, программируемых логических контроллеров,
     -      организацию микропроцессорных систем управления и числового программного управления (ЧПУ),
     -      законы регулирования и организацию систем автоматического регулирования (САР);
    уметь:
     -    разрабатывать комбинационные схемы управления,
     -    проектировать системы управления дискретными объектами,
     -      программировать логические контроллеры на определенную технологическую задачу (цикл),
     -    исследовать характеристики объектов управления;
    владеть:
     -    методикой проектирования дискретных систем управления,
     -      навыками разработки алгоритмов управления дискретными объектами и программирования логических контроллеров.
     Полученные в результате изучения дисциплины компетенции позволят участвовать в разработке современных систем управления технологическими процессами.
     В настоящее время по дисциплине «Управление системами и процессами» отмечается малое количество учебной литературы. Отдельные положения содержатся в различных источниках по теории автоматического управления, информатике, электронике и пр. Данное учебное пособие разработано на основе 5

системного подхода к задаче управления технологическими объектами и содержит теоретические, практические и методические материалы для решения этой задачи.
    Разработанное учебное пособие может быть использовано для самостоятельного изучения дисциплины «Управление системами и процессами» студентами по специальности 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» (уровень бакалавриата), а также специалистами при разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами.

6

    ВВЕДЕНИЕ


     Управление является одной из самых важных и в то же время сложных функций, связанных с организацией целенаправленной деятельности, одной из которой является производственная деятельность, направленная на получение определенной продукции (продукта). При автоматизации процесса управления часть или все функции управления передаются специальным устройствам, работающим без участия человека. При создании или выборе этих устройств необходимо четкое понимание основных задач, которые призваны решать управляющие устройства. Впоследствии мы будем рассматривать в качестве объекта управления устройство или оборудование, осуществляющее определенный процесс, направленный на получение заданного продукта.


сбор информации о          возмущающие
состоянии ОУ               воздействия на ОУ

Рисунок 1 - Системное представление функции управления

     На рисунке 1 показано системное представление функции управления. При организации системы управления, с одной стороны, рассматривается процесс и устройство (машина, оборудование) для его осуществления - объект управления. Результатом осуществленного процесса является продукт производства. С другой стороны, для воздействия на объект используется управляющее устройство. Для организации системы управления необходимо создать связи между объектом и управляющим устройством, обеспечивающие целенаправленное взаимодействие между ними.
     Процесс управления предусматривает, с одной стороны, получение информации о состоянии объекта управления, затем сопоставление полученной информации с задачей управления, принятие соответствующего решения, и, с другой стороны, управляющее воздействие на объект управления с целью изменения его состояния в соответствии с заданным законом. Закон управления формируется на основе технологического процесса получения определенного продукта. Кроме того, в реальных условиях при этом система испытывает возмущающие внешние воздействия, которые должны быть учтены и соответствующим образом отработаны системой управления для максимального снижения их влияния на требуемую функцию управления.


7

    Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


    Рассмотрим основные определения, связанные с изучением данной дисциплины.
    Управление - это процесс воздействия на объект управления для изменения его состояния по определенному заданному закону с целью получения определенного продукта. Физически управление можно представить как преобразование и передачу информации между элементами системы управления. Данный процесс может осуществляться непосредственно человеком либо с определенным его участием (автоматизированный процесс), либо полностью без участия человека (автоматический процесс).
    Объект управления (ОУ) - это устройство (машина, оборудование) для осуществления определенного процесса, над которым осуществляется функция управления. При производстве продукции объектом управления являются технологические устройства, реализующие технологический процесс, обеспечивающий получение заданного продукта.
    Закон управления - это требуемое необходимое изменение состояния объекта во времени в соответствии с технологическим процессом получения заданного продукта или результата. Пример закона управления показан на рисунке 2.



Рисунок 2 - К понятию закона управления

    Закон управления формируется на основе предварительных исследований, опыта и создания на их основе технологического процесса производства (получения) определенного продукта (продукции). Так, например, для получения детали с определенной прочностью осуществляется процесс термической обработки (закалки), который предусматривает ее нагрев до определенного значения температуры, выдержка и охлаждение с определенной скоростью.
    Как правило, закон представляет собой зависимость изменения регулируемого технологического параметра во времени, обеспечивающий получение продукции определенного качества (свойства). При работе системы управления фактическое изменение регулируемого параметра происходит с некоторым отклонением от заданного значения, что представляет собой ошибку управления, которая также регламентируется заданным технологическим процессом.
    Таким образом, основу любой системы управления составляет технологический процесс получения определенной продукции.


8

    Система управления - совокупность элементов, устройств, позволяющая осуществлять заданную функцию управления.
     Для изучения и понимания основных функций управления рассмотрим системы управления с участием человека и автоматическую.

Датчики

Система человек          машина

а)

Система автоматического управления (САУ)

         б)

Рисунок 3 - Организация систем управления: а) с участием человека, б) автоматической


    В системе «человек - машина» (рис. 3, а) процесс управления осуществляется следующим образом. Человеку извне поступает определенное задание на управление в центральную нервную систему (ЦНС). После чего через рецепторы (органы чувств) с помощью средств отображения информации (приборов) он получает информацию о состоянии объекта управления. Проанализировав полученную информацию путем сравнения с заданием, ЦНС формирует определенный сигнал на управление объектом, для приведения его состояния в соответствии с заданием. Данный сигнал реализуется органами движения человека (руки, ноги) через органы управления машины (рычаги, кнопки), изменяя его состояние в соответствии с требуемым законом.
    Для организации системы автоматического управления (САУ) (рис. 3, б) все рассмотренные функции должны быть реализованы при помощи специальных устройств. Так, сбор информации о состоянии объекта управления осуществляется при помощи датчиков, обработка информации производится при помощи логических, вычислительных устройств, а воздействие на объект осуществляется исполнительными механизмами с приводами.
    Система автоматического управления (САУ) - это совокупность автоматических устройств, служащих для воздействия по определенному закону на исполнительные механизмы объекта управления без участия человека.
    Таким образом, в общем случае при управлении осуществляются следующие функции:
    1.     Сбор информации о состоянии объекта управления в текущий момент времени.

9

    2.      Обработка полученной информации, принятие решения и выработка управляющих воздействий.
    3.     Непосредственное воздействие на объект в соответствии с принятым за

коном управления.
    Для решения указанных задач система управления должна содержать следующие основные элементы:

Периферий-

Задача управления

Входные

ные устройства, —> преобразо-

датчики

ватели

Логические вычислительные устройства

     Выходные
—► преобразователи

Сбор информации о состоянии объекта

Преобразование, сравнение

Логическая, Преобразование Двигатель арифметическая                      (источник
обработка                           энергии)
сигналов

Привод

Исполнительные механизм

Объект управления

Непосредственное управляющее воздействие

Рисунок 4 - Обобщенная структура системы управления и ее элементов


    Управление осуществляется при помощи различных сигналов.
    Сигнал - это определенный поток энергии, соответствующий измеренной величине или управляющему воздействию, который может быть передан на расстояние и соответствующим образом обработан. По сути, сигнал является потоком данных, информации.
    При управлении сложными системами задача управления разбивается на отдельные иерархические (подчиненные) уровни. Причем выходной сигнал от верхнего уровня представляет собой задачу управления для нижнего уровня

    Таким образом, общая задача управления разбивается на подзадачи, которые решаются отдельными управляющими системами на отдельных уровнях, например, рисунок 6.

10

Выпустить 200 изделий

1 уровень                2 уровень                 3 уровень                  4 уровень

Рисунок 6 - Пример организации иерархического управления сложной системой (производства)

Контрольные вопросы к главе 1
    1.  Системное представление функции управления.
    2.  Определения понятий:
    -   управление,
    -   объект управления,
    -   закон управления,
    -   система управления,
    -   сигнал.
    3.  Основные функции систем управления.
    4.  Элементы систем управления.

11

    Глава 2. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ


    2.1. Объекты, процессы управления

     При создании САУ важнейшим моментом является определение параметров и характеристик объекта управления (ОУ).
     ОУ представляют собой машины, устройства, системы, над которыми осуществляется функция управления, т. е. целенаправленное активное изменение состояния ОУ по заданному закону в соответствии с необходимым процессом. По сути, объект управления представляет собой устройство, машину, или какое-то оборудование, предназначенное для осуществления определенного технологического процесса или его отдельного этапа.
     В теории управления ОУ рассматривается как некая система, предназначенная для осуществления определенного процесса, состояние которой изменяется под влиянием внешних возмущающих и управляющих воздействий [1, 2, 3].

                                   W,  внешнее возмущающее
/ воздействие



X,  управляющий (входной) /   \ У, выходной сигнал
   ------------------Н °'У-   1-----------------►
   сигнал на ОУ      \        J состояние ОУ, изменение У во времени - процесс
X.        регулируемый
параметр

Рисунок 7 - Системное представление объекта управления

    Рассмотрим примеры объектов управления (рис. 8).
    а)      Печь для закалки деталей, представляющая собой отдельную камеру, с помещенными внутрь ее деталями.
    Выходным параметром У объекта является температура деталей в печи. Этот параметр в конечном итоге определяет будущие свойства деталей.
    Управляющим параметром X является температура нагревателя (не зависимо от его конструкции - ТЭН, газовая горелка и пр.).
    Возмущающим фактором W является температура окружающей среды. Степень влияния возмущающего воздействия будет определяться свойствами теплоизоляции печи.
    б)      Самолет, представляющий собой более сложную систему с несколькими параметрами на выходе (высота полета, скорость, курс и т. д.). Для управления каждым из этих параметров создается отдельный контур, поэтому этот объект представляет собой многоконтурную систему. Рассмотрим один из них -управление высотой полета.
    Выходным параметром У будет высота полета.
    Управляющим параметром X является угол наклона элеронов.
    Возмущающим параметром W является плотность и скорость встречного потока среды.


12